Bestimmung der Energie- und Winkelverteilungen emittierter Atome bei der Festkörperzerstäubung von polykristallinem Gold und Kupfer mit 15 und 30 keV H$^{+}$-, He$^{+}$- und Ar$^{+}$-Ionen mit Hilfe radioaktiver Targets

Hucks, P. G.

Book/Report

FZJ-2018-01154

Bestimmung der Energie- und Winkelverteilungen emittierter Atome bei der Festkörperzerstäubung von polykristallinem Gold und Kupfer mit 15 und 30 keV H$^{+}$-, He$^{+}$- und Ar$^{+}$-Ionen mit Hilfe radioaktiver Targets

Hucks, P. G. (Corresponding author)FZJ*

1978
Kernforschungsanlage Jülich, Verlag Jülich

Jülich : Kernforschungsanlage Jülich, Verlag, Berichte der Kernforschungsanlage Jülich 1509, 111 p. (1978)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/17082

Report No.: Juel-1509

Abstract: Mit Hilfe radioaktiver Tracertechniken wurden die Energie- und Winkelverteilungen zerstäubter Gold- und Kupferatome untersucht. Hierzu wurden polykristalline, neutronenaktivierte Targets mit 15 und 30 keV H$^{+}$, HeH$^{+}$- und ArH$^{+}$-Ionen (Gold) bzw. 30 keV ArH$^{+}$-Ionen (Kupfer) beschossen. Die Geschwindigkeitsselektierung erfolgte mit einern mechanischen Selektor aus einer Anordnung geschlitzter, schnell rotierender Scheiben (Fizeau-Prinzip). Zum Nachweis wurden die zerstäubten Atome aufgefangen und anschließend aufgrund ihrer Radioaktivität nachgewiesen, und zwar bei der Bestimmung der Energieverteilungen in einer Low-$\beta$-Antikoinzidenz-Zählanordnung H$^{+}$, He$^{+}$) auch die Energieverteilungen der emittierten Neutralteilchen trotz der geringen Teilchenstrahldichten im geschwindigkeitsselektierten Strahl bestimmt werden. Es wurde eine untere Nachweisgrenze erreicht, die bei den Kupferatomen einer Teilchenstrahldichte von 4 $\cdot$ 10$^{6}$ Atomen/cm$^{2}$s, bei den Goldatomen einer solchen von 3 $\cdot$ 10${5}$ Atomen/cm$^{2}$s entspricht.Bei den verwendeten Ionenenergien von 15 und 30 keV liegt das Maximum der Energieverteilungen der zerstäubten Goldatome sowohl beim Beschuß mit Wasserstoff- als auch beim Beschuß mit Heliumionen bei etwa 1,9 eV, einern Energiewert, der halb so groß wie die Oberflächenbindungsenergie E$_{b}$ ist. Für den experimentell nicht bekannten Wert der Oberflächenbindungsenergie wurde dabei der Wert für die Sublimationsenergie angenommen. Bei der Zerstäubung mit Argonionen dagegen liegt das Maximum sowohl für die zerstäubten Goldpartikel als auch für die zerstäubten Kupferteilchen bei einern Wert von nur etwa einem Drittel der Oberflächenbindungsenergie. Eine solche Verschiebung des Maximums der Verteilungskurve kann durch einen Dimerenanteil, der mit 11% abgeschätzt wurde, erklärt werden, da die experimentelle Anordnung eine Unterscheidung zwischen Monomeren und Dimeren nicht gestattete. Bei der Zerstäubung mit leichten Ionen dagegen treten Dimere in nur unerheblichem Ausmaß auf. Somit konnte gefolgert werden, daß die Lage des Maximums in den Energieverteilungen zerstäubter Atome sowohl von der Masse als auch von der Energie des Beschußions unabhängig ist. Im Energiebereich von 20 bis 60 eV verlaufen die Verteilungsfunktionenunabhängig von der Energie der Beschußionen für die Zerstäubung von Gold mit Wasserstoff- und Heliumionen proportional zu E$^{-1,8}$, für eine solche mit Argonionen proportional zu E$^{-1,5}$. Diese Ergebnisse stimmen mit den Resultaten einer Modellrechnung überein, in der die vereinfachende Annahme einerisotropen Richtungsverteilung der Rückstoßatome mit einem resultierenden E$^{-2}$-Verhalten nicht gemacht wurde, sondern in der die Zerstäubungsdaten aus der Impulsverteilung der Rückstoßatome im Festkörper bestimmt wurden. In diesem Fall ergibt sich ein maßgeblicher Einfluß der Ioneneinfalls- und Beobachtungsrichtungauf die Verteilungsfunktion. Unter Berücksichtigung der in dieser Arbeit verwendeten Geometrie führt eine solche Rechnung zum experimentell ermittelten Verlauf der Verteilungen. Für die Winkelverteilungen der mit 30 keV-Ionen zerstäubten Gold- und Kupferpartikel wurde in der Einfallsebene ($\varphi$-Richtung, $\vartheta$= O) eine asymmetrische und in der dazu senkrechten Ebene ($\vartheta$-Richtung, $\varphi$ = O) eine symmetrische Form gefunden. Die symmetrischen Formen in der $\vartheta$-Richtung zeigen eine Unterkosinusverteilung. Sie ändern sich nicht wesentlich mit der Masse der Beschußionen. Die Asymmetrien der $\varphi$-Richtung sind gekennzeichnet durch eine erhöhte Intensität in einer Richtung von etwa 90$^\circ$ in Bezug zum einfallenden Ionenstrahl. Dieser Winkel ist deutlich von derMasse der Beschußionen abhängig. Er beträgt bei den leichtesten Beschußionen (H$^{+}$ etwa 95$^\circ$, bei den schwersten (Ar$^{+}$) etwa 80$^\circ$. Ebenso wird die Asymmetrie der Verteilungen mit zunehmender Masse der Beschußionen ausgeprägter. Auch der generelle Trend der Winkelverteilungen konnte durch die oben erwähnte Modellrechnung beschrieben werden. Die hohen Intensitäten, die in der Einfallsebene in der Einschußrichtung zu beobachten waren, konnten jedoch ebenso wie der überkosinusförmige Verlauf in Reflexionsrichtung der Ionen durch diese Rechnungen nicht gedeutet werden. Eine Erklärung dieser Abweichungen kann sowohl durch eine Wiederzerstäubung des aufgesammelten Materials durch reflektierte Beschußteilchen als auch durch die Auswirkung der kegelförmigen Oberflächenstrukturen, die sich beim Ionenbeschuß mit Dosen um 10$^{18}$ cm$^{-2}$ ausgebildet hatten, erklärt werden. Sicherlich haben solche ausgeprägten Oberflächenstrukturen einen Einfluß auf Winkel verteilungen, Zerstäubungsausbeuten und Energieverteilungen,der bisher zu wenig beachtet worden ist.

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